某雙饋式異步風力發電機技術改造方案研究

擺念宗

雙饋異步發電機是目前風力發電系統中主流的發電機形式之一。與其他發電機不同，雙饋異步發電機通過變頻器在轉子繞組中施加不同頻率的交流勵磁電流，以實現定子側恒定頻率的輸出。但由于運行環境惡劣、工況復雜多變，雙饋式風力發電機在長期運行過程中會出現各類故障，如定轉子繞組接地、匝間短路、繞組斷相、軸承點蝕、軸承漏油等。此外，風力發電機在設計、制造或安裝時也會出現問題，如發電機定轉子相間不平衡、相間絕緣電阻低、軸承密封不良、軸承潤滑不良、轉子極間聯線以及引出線設計不合理等。

相比于環境因素，這些由設計、制造等環節引發的問題和缺陷大大增加了發電機發生故障的概率，導致現場頻繁出現發電機故障甚至損壞的情況，不僅給風電場運維帶來極大的困難，大量的故障維修也會造成風電場的電量損失，尤其是更換發電機的周期較長，導致電量損失更多。高故障率還會導致額外的備品備件費用、大部件更換費用等，從而造成維修成本顯著增高。因此，有必要分析發電機故障原因，并采用針對性的技術改造方案，以提高設備可靠性。

某風電場1.5MW雙饋式異步風力發電機，在運行過程中頻繁出現各類故障，主要包括轉子斷相、轉子接地、轉子相間電阻不平衡、發電機振動、發電機內部漏油等。通過對各類故障進行診斷分析，發現該型號發電機在軸承絕緣、轉子極間聯線、發電機軸承油槽密封等方面存在設計缺陷，從而導致風電機組在運行過程中頻繁出現同類故障。本文以該風力發電機為例，探究了導致各類故障的設計缺陷，并針對各種缺陷提出了有效減少發電機故障的技術改進方案。

風力發電機結構及參數

國內某風電場風電機組采用1.5MW雙饋異步風力發電機，其主要參數如表1所示。

雙饋異步發電機主要包括定子系統、轉子系統、轉軸及軸承、集電環系統、散熱系統、潤滑系統、前后端蓋、機座等。定子系統主要包括定子繞組和定子鐵心，定子三相繞組直接與電網側連接，對外輸出電能。轉子系統主要包括轉子繞組和鐵心，轉子繞組三相交流引出線與集電滑環連接，通過集電滑環與變流器轉子側連接，再由變流器經過AC/ DC和DC/AC變換與電網側連接。變流器為轉子提供變頻的三相交流勵磁電流，以適應風力發電機復雜的運行工況。軸承系統包括發電機前后軸承、潤滑系統等。軸承與轉軸采用過盈配合連接，轉軸驅動端通過聯軸器與齒輪箱連接，受機械驅動帶動轉子旋轉。

風力發電機故障缺陷分析

隨著運行時間的增加，該機組發電機頻繁發生故障。2015年，更換發電機的次數高達10次；2016年，更換發電機10次，塔上修復6次；2017年，更換發電機17次，塔上修復8次，技改3次；2018年，更換發電機8次，塔上修復14次。

統計顯示，該型號風力發電機的主要故障包括轉子斷相、轉子接地、轉子相間電阻不平衡、轉子直流電阻不平衡、定子絕緣擊穿、振動大。其中，轉子斷相故障率最高，且故障次數逐年增多。轉子斷相的原因有很多，如極間聯線斷裂、轉子引出線斷裂、轉子線圈燒毀等，而其深層原因可歸結為軸承損壞導致振動過大、極間聯線因設計不合理受力過大、轉子引出線因安裝不合理受剪切斷裂等。

通過對該型號風力發電機的故障問題進行分析發現，該發電機在設計、制造、工藝等方面存在的缺陷主要包括：（1）發電機軸承系統絕緣設計不合理，軸承電腐蝕情況較嚴重。（2）發電機驅動端無接地裝置。（3）轉子極間聯線圓弧設計、安裝不合理。（4）轉子引出線安裝不合理。（5）發電機兩端軸承密封較差，發電機端蓋及發電機內部漏油嚴重。

技術改造方案

一、發電機軸電流技術改造方案

為了有效減少軸電流對軸承的電腐蝕，一方面，可以采取措施阻斷感應電流從軸承流過；另一方面，可以將軸電流引到大地散流。因此，本文采用的軸電流改造方案主要涉及發電機端蓋、發電機軸承和轉子接地。

（一）發電機端蓋技術改造方案

本文所述雙饋風力發電機采用絕緣軸承，以防止軸電流造成的電蝕危害。由于軸承采用了絕緣結構，發電機端蓋的結構因此也比較簡單（見圖1）。由于端蓋與軸承接觸部分為金屬材料，當軸承發生絕緣損壞時，軸電流將沿著“轉子―軸承―金屬端蓋―機殼”形成通路，流經軸承的軸電流容易造成軸承電蝕，進而造成軸承的損壞。

為了有效防止軸承絕緣損壞時發生軸承電蝕的現象，需要對原有發電機端蓋進行技術改造。根據軸電流機理，在軸承系統中增加絕緣層可以阻斷軸電流通路，具體方法包括采用絕緣軸承、絕緣端蓋以及絕緣軸承座。因此，本文采用絕緣端蓋和絕緣軸承座來提高軸承系統絕緣的可靠性。

如圖1所示，原有發電機端蓋與軸承座為一體結構。結合原發電機的機械結構，本文將原發電機端蓋改造為端蓋加裝絕緣軸承座的結構，即將原發電機端蓋的軸承座部分去除，只保留端蓋本體，然后在端蓋內圈加裝帶絕緣層的軸承座。端蓋與絕緣軸承座采用螺栓組裝固定，改造后的絕緣端蓋如圖2所示。由于端蓋與軸承座之間采用螺栓連接，為保證絕緣的有效性，在螺栓外部也需要加裝絕緣套管。

（二）發電機轉子接地系統技術改造方案

本文中討論的雙饋風力發電機未在驅動端設計接地裝置。根據軸電流機理，安裝轉子接地系統，將軸電流直接導入大地，也能夠防止軸電流通過軸承產生回路。因此，可在絕緣端蓋設計的基礎上，在驅動端增加接地裝置，提高軸承抗軸電壓的能力。

接地裝置有銅編織線和接地碳刷兩種。考慮到接地裝置的安全性、可靠性等因素，本文采用加裝接地碳刷的方案（見圖3）。具體方案為在發電機驅動端加裝一套軸頭接地系統，接地系統包含碳刷裝置和接地線兩部分：碳刷裝置主要由碳刷、碳刷支撐架、碳刷固定體、彈性連接片、卷簧等部件組成；接地線則主要是在端蓋和機座、滑環室與端蓋、接地碳刷與端蓋之間安裝，保證各個安裝部件的可靠接地。

二、發電機軸承油槽技術改造方案

根據現場運維情況，本文所述雙饋式發電機軸承出現故障的情況較多。一方面，變流器諧波電壓導致產生軸電壓，當軸電壓大到一定程度將擊穿軸承潤滑油膜，加之軸承絕緣損壞，軸電壓將沿著“轉子―軸承―金屬端蓋―機殼”形成通路產生軸電流，從而造成軸承電蝕燒毀；另一方面，該電機在初期生產過程中質量管控不到位，內軸承蓋進油槽與端蓋加油孔安裝時未對正，外軸承蓋存在鑄造缺陷造成出油孔淺，這些都將直接影響軸承的潤滑情況，最終損壞軸承。該發電機軸承原設計結構如圖4所示。由圖可以看出，潤滑脂從軸承外蓋加入，經過端蓋進油孔、軸承內蓋油槽，進入軸承內部對軸承進行潤滑。雖然在發電機外側有擋油環，但由于發電機轉子內部有冷卻風扇，其使得發電機端蓋與轉軸根部形成負壓區，而原發電機內側僅靠凹槽密封，因此，在發電機運行過程中油脂就容易被負壓區的壓差吸入電機內部，從而導致發電機內部油脂較多。以上這些問題都嚴重影響了發電機的正常運行。

為了解決軸承漏油的問題，針對漏油的發電機，可對軸承的油槽密封結構進行技術改造，改造后的軸承結構示意圖如圖5所示。由圖可以看出，本方案在兩端軸承內外蓋內分別增加了油封，并且油封采用了迷宮式密封方式，從而大大延長了油路密封距離，能夠有效防止軸承潤滑油脂被吸入發電機內部。在軸承迷宮油封的設計和安裝中，需要重點考慮軸向、徑向的定位和緊固，以及油封間隙等參數，軸承油封可采用過渡或過盈配合與主軸固定。通過該方案改造，能夠保證油路通道的暢通，有效保證軸承潤滑良好。

三、發電機轉子極間聯線技術改造方案

轉子極間聯線，又稱過橋線，其作用是將同一相的兩個線圈組串聯起來。本文所述雙饋發電機轉子有3根極間聯線，每相一根，由單根銅扁線折彎而成（見圖6）。根據現場運維記錄，該雙饋發電機在運行過程中普遍存在過橋線斷裂、燒毀等現象，嚴重影響發電機的正常運行。

通過分析雙饋發電機的故障發現，轉子過橋線所受離心力過大，且支撐點過少。一方面，離心力通過過橋線圓角傳遞至過橋線根部，圓角弧度過小，導致應力集中；另一方面，轉子長期振動也會導致過橋線疲勞斷裂。

因此，為了解決以上設計缺陷，需要對該雙饋發電機的過橋線進行改造，消除發電機故障隱患，保證設備安全可靠運行。基于雙饋發電機過橋線故障分析結果，可以從兩個方面對其進行改造：一是重新設計過橋線結構，增大過橋線圓角弧度，起到減小應力集中的作用；二是增加過橋線固定點和支撐點，減小根部圓角的應力集中，減少振動。

（一）過橋線結構改造

本文采用如圖7所示的過橋線結構，該結構增大了過橋線圓角弧度，可有效減小應力集中。改造后的轉子端部結構如圖8所示。

（二）過橋線支撐點改造

目前，增加過橋線固定點和支撐點的方法主要有3種：一種是在發電機轉軸上加裝一個鋼環，用綁扎繩把過橋線圓弧部分綁在鋼環上，從而大幅減小過橋線內部應力；另一種是在發電機轉軸上加裝一個帶銅端環的剛性支架，銅端環與轉子線圈焊接，并綁扎固定，替代原有過橋線；還有一種是在過橋線與轉子繞組間隙填充材料（見圖9），達到支撐過橋線以減小應力的目的。

若考慮改造效果，方法一和方法二固定點、支撐點、綁扎點多，效果優于方法三，但是工藝較復雜，成本較高；若考慮施工難度和成本控制，則方法三更加簡便快捷，也能起到減小應力集中的效果。

因此，通過改造過橋線，一方面，增大過橋線圓角弧度，有效減小根部圓角應力集中；另一方面，增加過橋線的固定點，從而減少振動，最終有效減少過橋線的疲勞斷裂故障。

結論

本文針對國內某風電場1.5MW雙饋式發電機的缺陷和故障，提出了具體、針對性的解決方案。對于發電機軸承電腐蝕問題，結合發電機原有結構，提出采用絕緣軸承端蓋和軸承座的形式，并加裝轉子接地系統；對于軸承油槽漏油問題，提出將原有油封改為迷宮式密封的方式；對于轉子過橋線斷裂問題，提出采用加大圓角弧度和增加支撐點的方法，從而減小轉子過橋線應力集中。

目前，本文所述各技術改造方案已在在役風電機組的發電機中實施應用，經過改造后的發電機運行狀況明顯改善，未再出現同類故障。可見，本文所述發電機技術改造方案，解決了該雙饋式發電機原有的設計缺陷，有效減少了設備的故障次數，保障了風電機組的安全運行。

（作者單位：中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院 ）